Dispositivo microfluídico bicamada para produção de plugue combinatório
1 de dezembro de 2023
A fabricação de um dispositivo de bicamada à base de polidimetilsiloxano (PDMS) para a produção de bibliotecas combinatórias em emulsões de água em óleo (plugs) é apresentada aqui. O hardware e o software necessários para automatizar a produção de plugues são detalhados no protocolo, e a produção de uma biblioteca quantitativa de plugues fluorescentes também é demonstrada.
Nós, do Grupo de Biologia de Sistemas para Oncologia, usamos uma abordagem computacional e experimental combinada para desvendar o intrincado mecanismo que molda o microambiente tumoral. Usamos modelos matemáticos baseados em dados clínicos e biologia do câncer para identificar fatores que influenciam a resposta individual à terapia com o objetivo final de melhorar a oncologia de precisão. Dada a natureza heterogênea e dinâmica da resposta do tumor à terapia, a biologia da perturbação mostrou o potencial de superar a limitação dos biomarcadores genômicos.
Nossa abordagem envolve submeter células tumorais receptivas a uma extensa triagem de drogas anticâncer para identificar propriedades fenotípicas de tumores, a fim de determinar tratamentos anticancerígenos mais eficazes. A microfluídica é uma tecnologia valiosa que auxilia na análise de uma pequena quantidade de amostra, como biópsia de tumor, distribuindo-a em compartimentos individuais, como gotículas ou plugues. Também permite o controle da composição de cada plugue, criando assim múltiplas populações de plugues quimicamente distintos.
Apresentamos aqui um dispositivo totalmente baseado em PDMS, onde o fluxo de fluido é regulado por válvulas de terremoto acionadas por pressão, que permitem a produção rápida, controlada e programável de populações distintas de plugues. Além disso, como as válvulas de terremoto também são baseadas em PDMS, elas podem ser integradas sem problemas na fabricação de dispositivos. A combinação de dados obtidos da triagem combinatória de células cancerígenas com modelos matemáticos nos permitirá estudar as vias de sinalização que regulam o comportamento do microambiente tumoral.
Esta pesquisa abrirá caminho para novas estratégias de oncologia de precisão, fornecendo a justificativa para personalizar o tratamento para pacientes individuais.
Visão Geral
Este artigo apresenta a fabricação de um dispositivo em camada dupla baseado em PDMS, projetado para a produção de bibliotecas combinatórias em emulsões de água em óleo. O protocolo detalha o hardware e o software necessários para automatizar a produção de tampões e demonstra a criação de uma biblioteca quantitativa de tampões fluorescentes.
Principais Componentes do Estudo
Área da Ciência
- Microfluídica
- Triagem combinatória
- Biologia do câncer
Antecedentes
- O microambiente tumoral é complexo e dinâmico.
- A oncologia de precisão visa personalizar o tratamento com base nas respostas individuais.
- A microfluídica permite a análise de pequenas amostras ao criar compartimentos distintos.
- Dispositivos de PDMS permitem o fluxo controlado de fluidos para a produção eficiente de tampões.
Objetivo do Estudo
- Desenvolver um dispositivo para produzir populações distintas de tampões para pesquisa em câncer.
- Combinar dados experimentais com modelos matemáticos para melhor compreensão do comportamento tumoral.
- Aprimorar estratégias para oncologia de precisão.
Métodos Utilizados
- Fabricação de um dispositivo microfluídico baseado em PDMS.
- Uso de válvulas de Quake acionadas por pressão para regulação de fluidos.
- Produção automatizada de tampões por controle de software.
- Geração de uma biblioteca combinatória de tampões fluorescentes.
Resultados Principais
- Uma biblioteca quantitativa de tampões foi gerada com sucesso.
- O dispositivo demonstrou regulação eficaz do fluxo de fluido.
- A integração de modelos matemáticos com dados experimentais foi descrita.
- Foram discutidas aplicações potenciais em oncologia de precisão.
Conclusões
- O dispositivo baseado em PDMS é uma ferramenta valiosa para a pesquisa sobre câncer.
- Ele facilita a produção de populações de tampões quimicamente distintas.
- Essa abordagem pode levar a estratégias aprimoradas de tratamento do câncer.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
A produção combinatória de alto rendimento de microplugs utilizando dispositivos microfluídicos em duas camadas permite a triagem rápida e programável de respostas a fármacos em amostras limitadas derivadas de pacientes. Esta tecnologia resolve o desafio de gerar compartimentos de reação quantitativos e quimicamente distintos para triagem fenotípica e análise de vias em oncologia. Sua integração com modelagem computacional apoia a confiança preditiva e a redução de riscos mecanicistas em pontos críticos de descoberta.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Permite a perturbação sistemática de células tumorais para investigar hipóteses terapêuticas e esclarecer vias de sinalização.
- Apoia a redução de riscos biológicos ao gerar ambientes químicos diversos para a validação funcional de alvos.
- Facilita a confiança preditiva na seleção de alvos por meio de saídas quantitativas e multiplexadas de triagem.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Prepara sistemas biológicos miniaturizados e validados para fluxos de trabalho de triagem em alta produtividade.
- Fornece populações padronizadas e reprodutíveis de "plugs" com composição e quantidade programáveis.
- Permite o desenvolvimento escalonável e automatizado de ensaios para avaliação confiável de compostos e expansão de bibliotecas.
Pesquisa Translacional e Pré-Clinica
- Alinha a triagem combinatória com sistemas relevantes para a doença utilizando biópsias tumorais derivadas de pacientes.
- Mantém a continuidade translacional do descobrimento até a validação pré-clínica, integrando dados experimentais e computacionais.
- Oferece desvio mecanicista de riscos para estratégias de oncologia de precisão por meio do mapeamento de respostas fenotípicas a fármacos.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
Esta plataforma microfluídica em bicamada é adequada desde a descoberta inicial até a identificação de compostos líderes e pesquisas pré-clínicas, especialmente em pipelines focados em oncologia.
- Biologia da Descoberta: Apoia a verificação de hipóteses e a elucidação de vias ao permitir experimentos de perturbação controlada em compartimentos de nanolitros.
- Triagem: Fornece bibliotecas de microgotas prontas para ensaios, reprodutíveis e com saídas quantitativas para análise comparativa.
- Análises: Oferece medições quantitativas de alto conteúdo para comparação estatística de respostas a fármacos e atividades de vias.
- Pesquisa Translacional: Conecta as fases de descoberta e pré-clínica ao permitir o uso direto de amostras derivadas de pacientes em triagens combinatórias.
- Reutilização Empresarial: Oferece uma plataforma programável e escalonável, adaptável às diversas necessidades de triagem e desenvolvimento de ensaios em diferentes áreas terapêuticas.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva e reduz a ambiguidade mecanicista na validação de alvos e vias.
- Valor Operacional: Padroniza e automatiza a produção de placas para garantir reprodutibilidade e escalabilidade nos fluxos de trabalho de triagem.
- Valor Estratégico: Melhora a qualidade das decisões de avanço ou interrupção de projetos e a eficiência do capital ao permitir a geração robusta de dados multiplexados.
- Impacto no Portfólio: Apoia a priorização e o avanço ajustados ao risco de candidatos com base em dados quantitativos de triagem fenotípica.
Considerações sobre a Implementação
- Exige experiência na fabricação de dispositivos microfluídicos e em fluidos impulsionados por pressão.
- Requer integração de hardware programável, software e infraestrutura analítica para operação automatizada.
- Exige padronização entre equipes quanto à codificação da composição dos plugs e ao gerenciamento de dados.
- Adaptável a diversos sistemas modelo, mas pode exigir otimização para diferentes tipos celulares ou reagentes.
- Os limites de pressão operacional e os limiares de ativação das válvulas devem ser validados para cada aplicação.
